Tehnološki univerzitet Nanyang razvija novu metodu za proizvodnju ultra intenzivnih, ultra brzih lasera

Trenutno, laseri emitirani u srednjem infracrvenom opsegu mogu identificirati tvari u zraku u roku od nekoliko minuta - bilo da su zagađivači stakleničkih plinova, toksini, eksplozivi ili plinovi povezani s bolestima koje se nalaze u ljudskom dahu.
Srednji infracrveni laseri velike snage generirani u ultrabrzim impulsima su veoma traženi jer podupiru visoko osjetljive uređaje koji mogu bezbedno detektovati sa udaljenosti čak i tragove supstanci koje bi inače ostale neprimećene ili ih je teško identifikovati.
Nedavno su naučnici predvođeni NTU Singapurom razvili novu metodu za proizvodnju intenzivnih i ultra brzih lasera. Ova metoda, kažu, "obećava stvaranje preciznih uređaja koji mogu ubrzati otkrivanje tragova zagađivača i štetnih plinova."
Međutim, trenutne konvencionalne metode za generiranje takvih lasera imaju svoje nedostatke: jedna metoda zahtijeva laboratorijske uslove bez smetnji koje mogu pogrešno uskladiti precizno kalibriranu opremu (npr. vibracije, varijacije temperature/vlažnosti) - što znači da se laseri ne mogu koristiti van laboratorije.
Druga metoda može generirati lasere dok se nosi sa smetnjama iz okoline kao što su vibracije, ali oni nisu dovoljno jaki da precizno detektuju količine tvari u tragovima. Novo istraživanje tehnološkog univerziteta Nanyang pozabavilo se ovim izazovima.
Rezultati su objavljeni u Lasers ＆ Photonics Reviews.
Istraživači su koristili specijalno izrađena šuplja optička vlakna za generiranje vrlo svijetle laserske svjetlosti u srednjem infracrvenom opsegu podešavanjem debljine neutronske strukture vlakna.
Chang Wonkeun, docent na Školi za elektrotehniku ​​i elektroniku Tehnološkog univerziteta Nanyang, koji je vodio ovu najnoviju studiju, rekao je: "Naš pristup utire put razvoju prijenosnih, moćnih i brzih laserskih generatora srednjeg infracrvenog zračenja koji se ne oslanjaju na dobro kontrolisano okruženje bez vibracija za održavanje rada."
"To znači da ih možemo upariti s detektorima i koristiti ih na terenu kako bismo pomogli u testiranju i identifikaciji širokog spektra nepoznatih supstanci. U isto vrijeme, nema potrebe trošiti dodatno vrijeme na slanje uzoraka u laboratoriju na testiranje, čak ni u količine u tragovima."
Prednosti detekcije
Srednji infracrveni laseri, sa talasnim dužinama u rasponu od 2um-20um, nude prednosti u odnosu na druge lasere u detekciji supstanci. Mnoge različite vrste molekula apsorbuju lasere u srednjem infracrvenom opsegu na jedinstven način, više od drugih talasnih dužina, što je karakteristika koja se može koristiti za identifikaciju nepoznatih supstanci. Osim toga, čak i ako je voda prisutna u ovim supstancama, za razliku od drugih lasera, molekuli vode ne utiču na točnost identifikacije supstanci pomoću srednje infracrvenih lasera.
Jedan od načina za generiranje srednjih infracrvenih lasera velike snage u brzim rafalima je - emitiranje svijetlog i ultra brzog bliskog infracrvenog zračenja kroz optičko vlakno, koje ima kratku valnu dužinu. Srednji infracrveni laseri proizvedeni od optičkih vlakana sa čvrstim staklenim centrima obično nisu jako jaki, što otežava precizno otkrivanje malih količina materije.
Da bi se proizveli srednje infracrveni laseri visokog intenziteta, obično je potrebno okruženje bez smetnji, što ograničava upotrebu lasera na laboratoriju i otežava realizaciju specifičnih aplikacija. Profesor Zhang sa tehnološkog univerziteta Nanyang riješio je ove probleme korištenjem šupljih staklenih vlakana. On je to otkrio kada je koristio kompjuterske simulacije da odredi vrstu bliskog infracrvenog zračenja koje bi se moglo proizvesti kada prođe kroz šuplja vlakna.
Konverzija talasne dužine
Za razliku od konvencionalnih optičkih vlakana, ovo cjevasto šuplje vlakno ima prsten manjih staklenih cijevi oko šupljeg centra vlakna. Simulacije su pokazale da bi variranjem debljine stijenke minijaturnih cijevi vlakana bilo obećavajuće pretvoriti lasere blizu infracrvenog spektra u moćne, ultra brze srednje infracrvene lasere.
Njegov tim je potom sproveo eksperimente u kojima su centri šupljih vlakana bili ispunjeni gasom argona, a naučnici su uspeli da potvrde predviđanja simulacija. Stvorili su srednji infracrveni laser sa vršnom snagom u megavatnom opsegu i talasnom dužinom od 3um-4um, milion puta snažniji od standardne sijalice.
Ova laserska konverzija nastaje zato što bliski infracrveni laser stupa u interakciju s oblikom optičkog vlakna, koje transformira laser u srednje infracrveno svjetlo pobuđujući molekule plina argona. Debljina mikrotubica je povezana sa nešto više od dvostruke talasne dužine proizvedene srednje infracrvene laserske svetlosti - tako da mini cev sa debljinom zida od 1,6um proizvodi lasersko svetlo na vršnoj talasnoj dužini od oko 3,7um.
Profesor ssambastien fsamvrier (sa Univerziteta u Limogesu), dugogodišnji istraživač lasera srednjeg infracrvenog spektra, rekao je da je metoda generisanja lasera na tehnološkom univerzitetu Nanyang "u oštroj suprotnosti sa uređajima koji obično uključuju složene nelinearne aranžmane".
Prof. ssambastien fsamvrier je rekao: "Pored toga, budući da se optička vlakna mogu spojiti jedno s drugim, ovi rezultati otvaraju put za stvaranje srednje infracrvenih lasera na koje ne utiču pokretni mehanički dijelovi."